Leichtbau ist eine Möglichkeit, den CO2 -Ausstoß etwa von Fahrzeugen zu reduzieren. Auch bei den eingesetzten Materialien lässt sich der CO2 -Verbrauch durch den Einsatz von Biokunststoffen verringern. Die Entwicklung eines biobasierten duroplastischen Materials zeigt, dass sich Biokunststoffe für die Herstellung von SMC-Halbzeugen eignen.

Duroplast mit geringerer Dichte auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen

Composite-Halbzeuge

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanend

Biokunststoffe

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanlos

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Leichter mit Biokunststoff

Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Composites etablieren sich auch bei dünnwandigen Gehäusen. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, helfen das Gewicht zu senken und ermöglichen ein edles Design und Funktionsintegration. Werden die Gehäuse im Hybrid-Molding-Verfahren gefertigt, lassen sich außerdem Kosten, Verarbeitungsschritte und Zykluszeiten reduzieren

Composites senken das Gewicht und erleichtern die Produktion von Elektronikgehäusen

Glasfasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Kohlenstofffasern / -matten

Kunststofffasern

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Leichtbau für die Hosentasche

Wickert sieht im Pressenbau momentan vier Trends. Dazu gehören der vermehrte Einsatz produktivitätssteigernder Automationslösungen und zusätzlicher Injektionseinheiten für eine flexible, breit angelegte Fertigung. Darüber hinaus rechnet der Maschinenbauer damit, dass in Zukunft verstärkt Thermoplaste verarbeitet werden, und sieht ein Potenzial beim Einsatz von Naturfasern und Naturharzen.

Die Nachfrage nach Composites wird auch in Zukunft steigen

Pressen

Maschinen für die spanlose Fertigung

Duroplaste

Automatisierungstechnik

Hochleistungskunststoffe

Thermoplaste

Naturmaterialien

Trends in der Composite-Fertigung

Vier Forschungspartner haben es sich zum Ziel gesetzt, im Rahmen eines „Zero-Waste“-Projekts eine neue Presstechnik für die Herstellung von nachhaltigen Faserverbundlösungen zu entwickeln.

Forschungsprojekt zeigt Recyclingpotenzial für Composite-Leichtbau auf

Anlagen zur Composite-Herstellung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzprägen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Bruchmechanische Prüfung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Harzsysteme für Composite-Herstellung

UD-Tapes

Presswerkzeuge, Kunststoff

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Pressen von Kunststoffen

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

„Zero-Waste“-Konzept für Carbon-SMC

Die traditionellen Märkte für glasfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe bleiben stabil. Thermoplastcomposites starten bei hybriden Verarbeitungsprozessen durch. Mit pragmatischen Ideen packt die Faserverbundindustrie die Recyclingfrage an.

Faserverbundkunststoffe (FVK)

Reaktionsharze

Sekundärfasern

Kunststoff-Rezyklat

Fasern

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Aramidfasern

Phenolharze

Harze, Epoxid

Duroplastische Werkstoffe

Große Vielfalt und pragmatische Ideen

Das Automobil der Zukunft soll möglichst wenig CO2 freisetzen, effizient und automatisiert fahren und von möglichst vielen Menschen genutzt werden können. Das stellt an Kunststoffe und deren Verarbeitungsverfahren unterschiedliche Anforderungen. Sie reichen vom Leichtbau für Karosserie und Antriebsstrang über einen angenehmen Innenraum bis hin zu Beleuchtung oder Sensorik.

E-Mobilität, autonomes Fahren, Carsharing und die Folgen für die Kunststoffbranche

Polybutylenterephthalat

Leichtbau

Polyamide

Polyethylenterephthalat

Technische Kunststoffe

Alles auf Elektro?

Der Klima- und Verkehrswende kommen ausgeklügelte Faserverbundlösungen zugute. Für Marine, Infrastruktur und Schienenfahrzeugbau konkurrieren vielfältige Brandschutzkonzepte. Die Branche widmet dem Recycling größere Aufmerksamkeit.

Faserverbundkunststoffe beleben das Transport- und Bauwesen

Faserverarbeitung

Composites setzen Trends im Leichtbau

Die Digitalisierung bietet die Möglichkeiten größere Stückzahlen zu niedrigeren Kosten zu fertigen und lässt sich auf die Produktion von Faserverbundbauteilen gut anwenden.

Digitalisierung senkt Kosten und Materialverschnitt und steigert die Effizienz

Automatisiert zu Faserverbundbauteilen

Mit der Einrichtung auf dem Gelände des Automotive Center Europe (AMCEU) in Neufahrn bei München will die Toray Resins Europe GmbH neue Entwicklungen bei technischen Hochleistungskunststoffen vorantreiben.

Toray eröffnet Resins Technical Center bei München

Bei der Ionenauslaugung und der Hydrolysebeständigkeit der bisher verwendeten Materialien für Brennstoffzellen besteht noch Nachholbedarf. Eine Möglichkeit dafür stellen speziell entwickelte PPS dar.

Materialverbesserungen sorgen für zuverlässigere Brennstoffzellen

Automotive

Elektronik

Brennstoffzelle

Stromversorgung

Brennstoffzellen

Mobilität

Brennstoffzellenfahrzeuge fit für den Einsatz machen

Für FFF- und FDM-Drucker hat Evonik ein PEEK vorgestellt. Das Material wurde speziell für medizintechnische Anwendungen wie Prothesen, OP-Instrumente und Hörgeräte entwickelt.

Polyetherketon

Additive Fertigung

Werkstoffe für additive Verfahren

Biokompatibles und einfach verarbeitbares PEEK

Farbige Kunststoffe sind nicht nur eine Marketingspielerei, sondern erfüllen bei technischen Bauteilen wichtige Funktionen. Sie warnen etwa vor Gefahren und ermöglichen eine schnelle und direkte Identifikation der Komponenten. Die Einfärbung solcher Kunststoffbauteile stellt Kunststoffverarbeiter allerdings vor einige Schwierigkeiten.

Wie Kunststoffverarbeiter das passende Farbmittel für Hochleistungspolymere finden

Masterbatches

Additive

Farbstoffe und Pigmente

Farbkonzentrate (Batches)

Farbstoffe

Farben, flüssig

Farbe für den Hochleistungsbereich

AF-Color hat Masterbatches entwickelt, mit denen sich Hochtemperaturpolymere wie PPA, PPS oder PEEK in verschiedenen Farben einfärben lassen.

Farbige Kunststoffe trotz hoher Temperaturen

Für hitzebeständige Hochleistungskunststoffe hat Lanxess mit Colortherm Yellow 5 und 26 zwei anorganische Gelbpigmente vorgestellt.

Pigmente

Pigmente, bunt

Gelb für hohe Temperaturen

PTFE gilt als schwer zu recyceln. Für die speziellen Verarbeitungsverfahren des Polymers müssen die Rezyklate in aufwendigen Prozessen zerkleinert werden, damit sie annähernd die gleiche Korngröße besitzen wie Neuware. Werden diese Besonderheiten berücksichtigt, erreichen Rezyklate jedoch die Qualität von Neuware oder übertreffen diese sogar.

Wie sich PTFE erfolgreich recyceln lässt

Fluorkunststoffe

Recycling

Umweltmanagement

Auf die Korngröße kommt es an

Die Kosten von Hochleistungskunststoffen durch Blends und Verfahren senken

Ihre hohen Rohstoffkosten verhindern bisher in vielen Bereichen den Einsatz von Hochleistungspolymeren. Um eine breitere Verwendung zu ermöglichen, sind deshalb Ideen gefragt, die den Preis senken ohne zu einer deutlichen Verschlechterung der Eigenschaften zu führen. Erreichen lässt sich das etwa durch Blenden mit kostengünstigeren Polymeren und speziell angepassten Produktionsverfahren.

Thermoplastische Hochleistungspolymere vereinen sehr gute technische Eigenschaften mit einem geringen Gewicht. Sie können im Kontakt mit Chemikalien, bei hoher mechanischer Belastung und unter verschiedenen äußeren Einflüssen wie hohen und sehr niedrigen Temperaturen verwendet werden [1]. Deshalb kommen diese Werkstoffe insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie zum Einsatz. Die Dauergebrauchstemperaturen liegen in der Regel zwischen 150 und 260 °C [2]. Zudem eignen sich thermoplastische Hochleistungspolymere sehr gut für die Herstellung von Filamentgarnen, wobei typische Werkstoffe für Garne Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetherimid (PEI) sind.

Schmelzspinnanlagen mit Betriebstemperaturen bis 400 °C werden für die Herstellung von Filamentgarn aus Hochleistungspolymeren benötigt. Das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen ist eine der wenigen Forschungseinrichtungen, die über die notwendige Anlagentechnik im Pilotmaßstab verfügt. Für Forschungsprojekte konnten deshalb bereits erfolgreich Filamentgarne und textile Flächen aus z. B. PEEK hergestellt werden (Titelbild).

Neben dem Ausspinnen der Einzelpolymere wird am ITA an Garnen aus Blends geforscht. Ziel ist die Herstellung von hochtemperaturbeständigem Filamentgarn und Garn mit sehr guten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Senkung der bei Hochleistungspolymeren üblichen Rohstoffkosten. Durch Mischung von Polymeren können Eigenschaften erreicht werden, die keines der Ausgangsmaterialien alleine besitzt. Häufig kann ein Teil des teuren Werkstoffs durch ein günstigeres Material ersetzt werden, ohne große Eigenschaftsverluste zu riskieren.

Für die Herstellung der Blends werden am ITA Mischungen aus teuren, hochtemperaturbeständigen Werkstoffen wie PEEK, PEI und Polyethersulfon (PESU) und günstigeren technischen Thermoplasten etwa Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT) untersucht. Die zu erwartende sehr gute Mischbarkeit von PEEK+PEI- und PEI+PET-Blends konnte für die direkte Filamentextrusion auf einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder und damit für das Schmelzspinnverfahren generell nachgewiesen werden. Zudem wurde Filamentgarn aus beiden Mischungen erfolgreich ausgesponnen.

Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, bei einer gleichwertigen Mischung der Materialien PEEK und PEI kann der Preis gegenüber einem reinen PEEK deutlich gesenkt werden, da PEEK bis zu sechsmal teurer ist als PEI. Zudem führt die Mischung zu einer thermischen Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften. Es wird bei den Blends nur 20 % der Steifigkeit eingebüßt im Vergleich zu reinem PEEK. Die Materialkosten können durch Zumischen von 50 % PET noch einmal deutlich gesenkt werden, wenn die mechanischen und thermischen Eigenschaften von reinem PEI nicht in voller Höhe notwendig sind. Weitere Eigenschaften des PET, wie die sehr gute Verschleißfestigkeit, können synergetisch mit Eigenschaften des PEI, beispielsweise dem guten Brandverhalten, kombiniert werden.

Hochleistungskunststoffe eignen sich nicht nur für sehr leistungsfähige Garne, sondern auch für den Einsatz als Matrixwerkstoffe für Faserverbundkunststoffe (FVK). FVK bestehen aus Fasern und Matrix. Die Fasern nehmen dabei die auf den Verbundwerkstoff wirkenden Zugkräfte auf und verstärken dadurch das Bauteil. Typischerweise werden Carbon-, Glas- und Aramidfasern als Verstärkungsfasern verwendet [4]. Die Matrix dient dazu, die Verstärkungsfasern vor äußeren Einflüssen zu schützen und diese in Form zu halten. Normalerweise kommen dafür duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz. Die Matrix leitet Kräfte in die Fasern ein [4, 5].

Thermoplastische FVK (TP-FVK) zeichnen sich durch vorteilhafte Prozesskosten aufgrund geringer Taktzeiten in der Bauteilherstellung aus. Die große Auswahl an Werkstoffen macht TP-FVK für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie besonders interessant [5]. In beiden Branchen werden dafür Hochleistungspolymere mit FST-Konformität (engl. für „fire, smoke, toxictiy“) benötigt. Diese Thermoplaste wie PEI weisen jedoch eine sehr hohe Schmelzviskosität auf, wodurch die Verarbeitung teuer und aufwendig ist. Zusätzlich fallen bei der Verarbeitung von gewebebasierten Organoblechen bei der Bauteilherstellung 30 bis 50 % Materialverschnitt teurer Halbzeuge an [6, 7, 8].

Am ITA wurden deshalb verschnittarme und lastpfadgerechte Strukturbauteile mit PEI-Matrix entwickelt, die zugleich wirtschaftlich herstellbar sind. Als Demonstratorbauteil wurde ein generisches Bauteil einer Flugzeugsitzstruktur ausgewählt. Dabei bestehen die Sitzstrukturen aus Hochleistungsbauteilen, die verschiedene FST-Tests durchlaufen und Kräfte bis zu 16 G aushalten müssen. Am ITA wurden für die Herstellung des Sitzstrukturbauteils vorimprägnierte Carbonfasern, sogenannte Hybridgarne, verwendet. Sie werden mittels Tailored Fibre Placement (TFP) zu einem Preform verarbeitet und anschließend zu einem FVK-Bauteil konsolidiert.

Die Hybridgarne werden über einen kombinierten Spreiz- und Lufttexturierprozess hergestellt. Mechanische Spreizstangen helfen dabei, die Schlichte auf den Carbonfasern aufzubrechen und eine vereinfachte Durchmischung der einzelnen Carbonfilamente mit Thermoplastfilamenten zu ermöglichen. Für das Lufttexturieren kommt eine Prallplattendüse zum Einsatz. Die so hergestellten Hybridgarne werden im Anschluss mittels TFP materialeffizient zu einem Preform verarbeitet (Bild 1). Das TFP-Verfahren entstammt der technischen Stickerei. Dabei können Verstärkungsfasern bzw. Hybridgarne endkonturnah und entlang der Belastungsrichtungen im Bauteil ausgerichtet und abgelegt werden. Die hergestellten Preforms und Bauteile sind dadurch frei von Material- und Faserverschnitt.

Geringerer Verschnitt, höhere  Fasereffizienz

Die folgende Konsolidierung der Bauteile findet in einem zweiteiligen Presswerkzeug statt, das auf 400 °C erhitzt werden muss (Bild 1). Nach dem Einlegen des Preforms werden die Werkzeughälften geschlossen und der Pressvorgang gestartet, welcher ca. 3 min dauert. Anschließend wird das Werkzeug mittels Frischwasserkühlung gekühlt, sodass die Entnahme des konsolidierten Bauteils bei ca. 50 °C stattfinden kann. Der gesamte Konsolidierungszyklus inklusive Aufheiz- und Kühlzyklus dauert insgesamt etwa 50 min. Für das TFP-Stickverfahren müssen verschiedene Materialien für das Stickgarn oder -vlies ausgewählt werden, die mit dem Matrixwerkstoff kompatibel sind. Am ITA wurde insbesondere untersucht, welchen Einfluss der Rovingabstand im Preform auf die Fließwege und spätere Bauteilperformance hat.

Durch diese Entwicklungen lassen sich technische und ökonomische Parameter in der Herstellung von TP-FVK aus Hochtemperaturthermoplasten gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessern. Die Gesamtwertigkeit – eine Kombination aus technischer und wirtschaftlicher Wertigkeit – der Bauteile mit dem entwickelten Spreizluftmischhybridgarn ist um 15 % höher als die der Referenzmaterialen (Tabelle) [8]. Außerdem ergibt sich eine Verschnittreduktion und somit eine höhere Fasereffizienz. In Bezug auf die Performance, Flexibilität und Verarbeitung ist der entwickelte Hybridgarnansatz deutlich Organoblechbauteilen überlegen. Aufgrund der teuren Rohstoffe und der noch langsameren Prozessgeschwindigkeit können Organoblechbauteile derzeit jedoch wirtschaftlich noch etwas günstiger hergestellt werden.

Thermoplastische Hochleistungspolymere werden bei Garnen und Faserverbundbauteilen bereits gewinnbringend für Anwendungen in der Luftfahrt und dem Automobil eingesetzt. Der große Vorteil dieser Kunststoffe besteht in der Kombination von sehr guten technischen Eigen- schaften bei gleichzeitig geringem Gewicht. Eine Herausforderung stellt jedoch ihr hoher Preis dar. Forschungsarbeiten des ITA zeigen in diesem Zusammenhang, dass bei Garnen eine Kostenreduktion durch ein Mischen mit technischen Kunststoffen möglich ist. Im Faserverbundbauteil können Kosten durch den Einsatz von Hybridgarnen und neuartigen Produktionsverfahren wie TFP eingespart werden. Dadurch ist zukünftig ein breiterer Einsatz dieser Polymere möglich.

[1] Dominghaus, H.: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 6. Auflage, Springer-Verlage, Heidelberg, 2005

[2] Bonnet M.: Aufbau und Eigenschaften von Kunststoffen – Kunststofftechnik,

2. Auflage, Springer Fachmedien, Wiesbaden 2014

[3] Lunow, T.; Weinmann, A.: Hochleistungspolymere in thermisch und mechanisch hochbelasteten Anwendungen. Lightweight Des 2, 2009

<a href="https://doi.org/10.1007/BF03223565">https://doi.org/10.1007/BF03223565</a>

[4] Cherif, C. (Hrsg.): Textile Werkstoffe für den Leichtbau : Techniken, Verfahren, Materialien, Eigenschaften; Berlin ; Heidelberg: Springer, 2011

[5] Neitzel, M.; Mitschang, P; Breuer, U., Handbuch Verbundwerkstoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung, 2. Aufl. – München: Hanser, 2014

[6] Lässig R., Eisenhut M.; Mathias, A.; Schulte R. T., Peters, F.; Kühmann, T.; Waldmann, T.; Begemann, W.:

Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen: Perspektiven für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau München; Frankfurt a.M.: Roland Berger Strategy Consultants; VDMA, 2012

[7] Deinzer, G.; Diebold, F.: Faserverbundkunststoffe im neuen Audi R8 : von der Differential- zur Integral-Bauweise, In: Reden, T. v. (Hrsg.): MAI Carbon. Augsburg: MAI Carbon Cluster Management GmbH, 2016

[8] Schwab, M.: Systematische Technologiekettengestaltung für endkonturnahe Strukturbauteile mittels Tailored Fibre Placement; Aachen: Shaker, 2021 ; Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2020

RWTH-Aachen Inst. f. Textiltechnik (ITA) 

https://www.ita.rwth-aachen.de

Ausgabenartikel KU10-21

Hochleistungspolymere wie PEEK lassen sich ausspinnen (links) und anschließend zu Garnen und Textilien (rechts) verarbeiten. Durch Blenden mit technischen Kunststoffen ist dabei eine deutliche Kostenreduktion möglich

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Tabelle. Berechnung der technischen und wirtschaftlichen Wertigkeit der Hybridgarn-TFP-Bauteile im Vergleich zu Organoblechen

Bild 1. Bei der Herstellung der Composite-Bauteile werden Hybridgarne aus Carbonfasern und  PEI mittels Tailored Fibre Placement abgelegt (links). Anschließend erfolgt das Heißpressen der Preforms im Presswerkzeug (rechts)

KU 10-21_ITA_Gries - Hauptartikel

Dr.-Ing. Max Schwab ist Key Account und Industry Project Manager for Composite Production am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen; <a href="mailto:max.schwab@ita.rwth-aachen.de">max.schwab@ita.rwth-aachen.de</a>

Dr.-Ing. Lukasz Debicki ist Bereichsleiter Multi Filament Technology am ITA; <a href="mailto:lukasz.debicki@ita.rwth-aachen.de">lukasz.debicki@ita.rwth-aachen.de</a>

Melina Sachtleben, M. Sc., ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bereich Multi Filament Technology am ITA; <a href="mailto:melina.sachtleben@ita.rwth-aachen.de">melina.sachtleben@ita.rwth-aachen.de</a>

Tobias Schlüter ist ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter des ITA.

Prof. Thomas Gries leitet das ITA; <a href="mailto:thomas.gries@ita.rwth-aachen.de">thomas.gries@ita.rwth-aachen.de</a>